耗散結(jié)構(gòu)理論視角下的河南耕地問(wèn)題及對(duì)策

趙月偉　朱連奇

摘要 揭示了作為全國(guó)糧食大省和人口大省的河南省在耕地的保護(hù)與利用上的嚴(yán)峻性和緊迫性。為了確保糧食安全、社會(huì)穩(wěn)定、生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)安全，利用耗散結(jié)構(gòu)理論的新角度對(duì)河南省耕地存在的問(wèn)題加以研究，進(jìn)而提出合理建議。

關(guān)鍵詞 耗散結(jié)構(gòu)理論；熵；耕地問(wèn)題；對(duì)策；河南省

中圖分類號(hào) F301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2009）07-0237-02

1 耗散結(jié)構(gòu)理論

耗散結(jié)構(gòu)理論是物理學(xué)家普里高津提出來(lái)研究開放系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)和相應(yīng)條件的理論。這個(gè)理論是研究遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)從無(wú)序到有序的演化規(guī)律的一種理論。根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論，這種遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非線形的開放系統(tǒng)通過(guò)不斷地與外界交換物質(zhì)、能量和信息，系統(tǒng)中存在非線性動(dòng)力過(guò)程和正負(fù)反饋機(jī)制，在系統(tǒng)內(nèi)部某個(gè)參量的變化達(dá)到一定的閾值時(shí)，通過(guò)漲落及負(fù)熵的增加，系統(tǒng)可能發(fā)生突變即非平衡相變，由原來(lái)的混沌無(wú)序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時(shí)間上、空間上或功能上新的有序狀態(tài)。這種非平衡條件下的、穩(wěn)定的、有序的結(jié)構(gòu)，依靠不斷地耗散外界的物質(zhì)與能量才能維持，故稱耗散結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可以通過(guò)自發(fā)的對(duì)稱性破缺從無(wú)序進(jìn)入有序的耗散結(jié)構(gòu)狀態(tài)[1]。

系統(tǒng)狀態(tài)的變化是通過(guò)體系的狀態(tài)函數(shù)“熵”來(lái)表達(dá)的， 用S表示。根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論，系統(tǒng)只有不斷地與外界進(jìn)行物質(zhì)、能量交換，增加系統(tǒng)的負(fù)熵，使總熵減小，才能使系統(tǒng)逐步向新的有序方向發(fā)展。開放系統(tǒng)熵的改變由兩部分組成：一部分是系統(tǒng)內(nèi)本身不可逆過(guò)程所引起的熵增加，也稱為熵產(chǎn)生；另一部分是系統(tǒng)與外界交換能量與物質(zhì)引起的熵的變化，稱為熵流開放系統(tǒng)的總熵變?yōu)殪禺a(chǎn)生與熵流之和，即ds＝dis＋des（1）

用熵平衡方程表示為：＝＋（2）

由公式（2）可知，ds的大小取決于dis和des的代數(shù)和。根據(jù)熵增原理，dis不會(huì)是負(fù)的，而des沒有確定符號(hào)，可為正或零或負(fù)值，如果熵流為正值，即ds>0，則總熵ds增加， 系統(tǒng)的無(wú)序程度將增加。如果熵流為負(fù)值，即des<0，在dis不變的情況下，則總熵ds減少，系統(tǒng)的有序程度增加。因此，只有＜0且滿足＞才能保持系統(tǒng)向有序化方向發(fā)展。此時(shí)＝＋＜0，利用熵平衡公式可以衡量系統(tǒng)的狀態(tài)。負(fù)熵輸入越多，系統(tǒng)總熵越小，有序性越強(qiáng)，系統(tǒng)狀態(tài)也越好。這說(shuō)明一個(gè)非平衡狀態(tài)開放系統(tǒng)可以通過(guò)與外界進(jìn)行物質(zhì)和能量交換獲得負(fù)熵來(lái)減少總熵，從而達(dá)到新的有序狀態(tài)。因此，系統(tǒng)要想穩(wěn)定、有序地發(fā)展，必須從外界吸收大量的負(fù)熵流。一個(gè)系統(tǒng)要形成耗散結(jié)構(gòu)，即動(dòng)態(tài)有序，必須滿足：①系統(tǒng)必須開放；②遠(yuǎn)離平衡態(tài)；③非線性相互作用；④漲落現(xiàn)象。河南省的耕地系統(tǒng)是一個(gè)耗散結(jié)構(gòu)，符合耗散結(jié)構(gòu)的基本要求。耕地系統(tǒng)是一個(gè)大的開放系統(tǒng)，耕地本身就凝聚著人類的社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)，離不開人類的物質(zhì)與能量的投入；耕地系統(tǒng)也可以通過(guò)生物要素、非生物要素與其他系統(tǒng)進(jìn)行交換，輸出大量的初級(jí)產(chǎn)品或次級(jí)產(chǎn)品。耕地系統(tǒng)也是遠(yuǎn)離那種系統(tǒng)要素單一、熵值最大、結(jié)構(gòu)無(wú)序的平衡態(tài)的，耕地系統(tǒng)通過(guò)人為干預(yù)，系統(tǒng)有序性較強(qiáng)。耕地系統(tǒng)由于受到投入以及氣候等因素的影響，系統(tǒng)中內(nèi)部要素與子系統(tǒng)之間成非線性關(guān)系，城市化進(jìn)程以及農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整也使耕地系統(tǒng)向著非線性方向發(fā)展。系統(tǒng)由于受到自然和社會(huì)等外界因素的干擾會(huì)產(chǎn)生“漲落”，連續(xù)不斷地影響會(huì)使系統(tǒng)偏離平衡態(tài)，當(dāng)漲落影響達(dá)到一定的程度時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生“巨漲落”，從而發(fā)生躍遷，從當(dāng)前的狀態(tài)躍到更有序的狀態(tài)，形成新的耗散結(jié)構(gòu)，從而不斷地推動(dòng)系統(tǒng)向前發(fā)展。因此，耕地系統(tǒng)是一個(gè)耗散結(jié)構(gòu)。

2 耗散結(jié)構(gòu)理論對(duì)河南省耕地問(wèn)題的分析

隨著耗散結(jié)構(gòu)理論的應(yīng)用和發(fā)展，產(chǎn)生復(fù)雜性[2]。這個(gè)理論在耕地研究領(lǐng)域有指導(dǎo)意義。在耗散結(jié)構(gòu)中，支配著其他變量的變化，主宰系統(tǒng)整體演化過(guò)程的參量稱為序參量，它的大小決定了系統(tǒng)有序程度的高低。因此，系統(tǒng)的有序程度以及演化方向可以用序參量表達(dá)。對(duì)于河南省的耕地而言，耕地系統(tǒng)的功能在糧食生產(chǎn)、社會(huì)穩(wěn)定、生態(tài)安全與經(jīng)濟(jì)安全。筆者在研究河南耕地系統(tǒng)時(shí)，將耕地的質(zhì)量、耕地的數(shù)量、耕地的系統(tǒng)環(huán)境、耕地變化驅(qū)動(dòng)力作為序參量。

2.1 土地質(zhì)量

土地質(zhì)量應(yīng)該包括土地質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量、土壤養(yǎng)分含量、土壤貯水供水能力、交換量（保肥供肥）等土壤理化綜合指標(biāo)和土壤污染、養(yǎng)分流失、土地沙化等指標(biāo)。根據(jù)《全國(guó)第二次土壤普查暫行技術(shù)規(guī)程》的土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)，全省耕地有機(jī)質(zhì)含量平均為8.9g/kg，處于Ⅴ級(jí)（6.1~10.0g/kg）水平，其中低于Ⅴ級(jí)水平上限10.0g/kg的耕地占58.3%，大于Ⅲ級(jí)20.1g/kg以上水平的耕地只有6%。全省非耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量為18.6g/kg，其含量20.1g/kg以上的面積占40.8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于耕地的土壤有機(jī)質(zhì)的含量。這表明全省土地的用養(yǎng)失調(diào)十分嚴(yán)重。耕地養(yǎng)分中全氮平均含量0.80g/kg，處于Ⅳ級(jí)水平；速效磷（P2O5）平均含量5.9 mg/kg，處于Ⅳ級(jí)水平；速效鉀（K2O）平均含量132mg/kg，處于Ⅲ級(jí)水平，其中低于臨界值100mg/kg的耕地占53.9%。大多數(shù)耕地氮低磷少鉀嚴(yán)重不足，有機(jī)質(zhì)含量低。此外，全省土壤中微量元素的缺乏也十分明顯。耕地中有效鉬含量低于其臨界值的占93.5%，有效硼含量低于其臨界值的占83.9%，有效鋅含量低于其臨界值的占44.5%，有效鐵含量低于其臨界值的占24.6%，有效錳含量低于其臨界值的占11.2%。全省土壤缺鉬、硼面積很大，缺鐵、錳面積較小。由于耕地土壤養(yǎng)分偏低，土壤有機(jī)質(zhì)含量低且分布不平衡，致使耕地系統(tǒng)內(nèi)熵不斷增加，以至于耕地系統(tǒng)本身的內(nèi)熵增加，總熵在增大，系統(tǒng)的有序性程度下降。

2.2 耕地?cái)?shù)量

由于河南省人口眾多，耕地資源有限，故分析耕地資源的數(shù)量變化要從總面積和人均面積2個(gè)方面來(lái)考慮。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料、土地資源詳查和變更調(diào)查數(shù)據(jù)，河南省耕地資源的面積總體呈現(xiàn)一直減少的趨勢(shì)，大致可分為3個(gè)階段：第1階段為1980~1995年，耕地面積呈逐年減少趨勢(shì)；第2階段為1996~2001年，耕地面積比1995年有所增加，且每年耕地變化幅度不大；第3階段為2002~2003年，耕地面積減少幅度較大（圖1）。人均耕地的變化也顯著地分為2個(gè)階段：第1階段是1980~1995年，人均耕地急劇減少，從1980年的1 200m²逐年減少到1995年的880m²；第2階段為1996年至今耕地面積仍然一直處于下降狀態(tài)，但減少幅度趨于平緩，保持在850m²左右的水平（見圖2）[3]。

1980~1995年期間，國(guó)家基建、鄉(xiāng)村集體和農(nóng)民個(gè)人建房占地是耕地減少的主要原因，為河南省耕地系統(tǒng)輸入了正熵流，導(dǎo)致耕地面積和人均耕地面積大坡度下滑，造成河南耕地系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。1996~2001年期間，河南省由于開發(fā)未利用地，進(jìn)行工礦廢棄地復(fù)墾，開展土地整理；平原地區(qū)田、水、路、林、村綜合整治，丘陵山區(qū)小流域治理，煤礦塌陷地、工礦廢棄地和磚瓦窯場(chǎng)廢棄地復(fù)墾，黃河故道和黃泛區(qū)大面積沙荒地農(nóng)業(yè)示范園區(qū)建設(shè)全面付諸實(shí)施，耕地系統(tǒng)輸入了負(fù)熵流，使耕地系統(tǒng)的總熵減少，耕地有所增加，并且在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平。2002~2003年期間，為了保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，“退耕還林、退耕還草”政策的實(shí)施，特別是城鎮(zhèn)化建設(shè)的步幅加快，占用了大量耕地，為耕地系統(tǒng)輸入了大量的正熵，使耕地?cái)?shù)量急劇減少，但從2003年至今，中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十一個(gè)五年規(guī)劃綱要》將1.2億公頃耕地保有量確定為約束性指標(biāo)。1.2億公頃是未來(lái)５年必須堅(jiān)定不移守護(hù)的“紅線”。為耕地系統(tǒng)累積了負(fù)熵流，使河南省整個(gè)耕地系統(tǒng)總熵減少，耕地面積減少趨于平緩。

2.3 耕地的系統(tǒng)環(huán)境

由于工業(yè)“三廢”的大量排放，使大量有毒有害物質(zhì)進(jìn)入耕地，造成水體和耕地污染，在城（鎮(zhèn)）郊區(qū)更為突出。在全省環(huán)境有所改善的情況下，2002年全省工業(yè)和城市生活廢水排放量為23.85億噸。其中，工業(yè)廢水排放量11.44億噸，生活廢水排放量12.41億噸；工業(yè)廢氣排放量10 644億標(biāo)準(zhǔn)立方米，工業(yè)粉塵68.25萬(wàn)噸，二氧化硫93.72萬(wàn)噸。其中，工業(yè)廢氣量比1997年增加49.9%；工業(yè)固體廢物4 250.92萬(wàn)噸，比1997年增加28.7%。截至2002年底，全省建成城市污水處理廠16座，日處理污水能力159萬(wàn)噸，年處理能力5.80億噸，不到全省城市生活污水排放量的1/2。2000年對(duì)全省基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)采集土壤樣品110個(gè)進(jìn)行分析，土壤中重金屬檢出率為100%。其中，鎘、砷分別超標(biāo)35.8%和6.1%，尤其是城郊農(nóng)田保護(hù)區(qū)耕地，重金屬超標(biāo)率更高。農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境遭到破壞，耕地資源受到嚴(yán)重污染，嚴(yán)重影響了土地的產(chǎn)出和食品安全。生態(tài)環(huán)境的惡化，為耕地系統(tǒng)輸入了正熵流，系統(tǒng)有序程度較低，處于不健康和不穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.4 耕地變化驅(qū)動(dòng)力

（1）人口驅(qū)動(dòng)因素。河南人口數(shù)量從1949年的4 174萬(wàn)人到2003年的9 677萬(wàn)人，人口年增長(zhǎng)率為2.40%。人均耕地則由1 760m²減少到820m²。人口的增長(zhǎng)，為耕地輸入了更多的正熵流，耕地系統(tǒng)總熵流增加，耕地系統(tǒng)變得更加無(wú)序，耕地會(huì)繼續(xù)減少，人地矛盾更加尖銳，耕地負(fù)荷會(huì)越來(lái)越重。

（2）經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因素。自改革開放以來(lái)，河南省發(fā)展較快，GDP由1990年的895億元增長(zhǎng)到2003年的7 048.59億元，增長(zhǎng)了6.9倍。國(guó)家基本建設(shè)、建房熱、經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)熱，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，大量?jī)?yōu)質(zhì)耕地被占用，新開墾的耕地主要為肥力較差的土壤，導(dǎo)致了全省土地質(zhì)量下降[4]。人均居住面積和第三產(chǎn)業(yè)用地?cái)U(kuò)大為耕地系統(tǒng)輸入了大量正熵流，使耕地系統(tǒng)越來(lái)越不穩(wěn)定。

（3）政策因素驅(qū)動(dòng)。自改革開放以來(lái)，國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的投資熱和開發(fā)區(qū)熱使這一時(shí)期的耕地明顯減少，從1996年，國(guó)家實(shí)行強(qiáng)有力的耕地總量動(dòng)態(tài)平衡政策和1.2億公頃耕地保有量確定，為耕地系統(tǒng)輸入了負(fù)熵流，這才遏止了耕地?cái)?shù)量連年減少的勢(shì)頭。

3 結(jié)語(yǔ)

耗散結(jié)構(gòu)理論是研究遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)從無(wú)序到有序的演化規(guī)律的一種理論。利用熵平衡公式可以衡量系統(tǒng)的狀態(tài)。負(fù)熵輸入越多、系統(tǒng)總熵越小、有序性越強(qiáng)，系統(tǒng)狀態(tài)也越好。這說(shuō)明一個(gè)非平衡狀態(tài)開放系統(tǒng)可以通過(guò)與外界進(jìn)行物質(zhì)和能量交換獲得負(fù)熵來(lái)減少總熵，從而達(dá)到新的有序狀態(tài)。河南省的耕地系統(tǒng)是一個(gè)耗散結(jié)構(gòu)，符合耗散結(jié)構(gòu)的基本要求。

4 參考文獻(xiàn)

[1] 李如生.非平衡態(tài)熱力學(xué)力耗散結(jié)構(gòu)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1986.

[2] 成思危.復(fù)雜性科學(xué)探索[M].北京：民主與建設(shè)出版社，1999.

[3] 河南省統(tǒng)計(jì)局.河南統(tǒng)計(jì)年鑒（1991~2004）[M].北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，1991-2004.

[4] 何艷芬，張柏，馬超群.吉林省耕地動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)糧食生產(chǎn)的影響[J].資源科學(xué)，2004，26（4）：119-125.